Science: подтверждена теория роста поверхностей в двух измерениях

Ученые из Вюрцбургского университета впервые экспериментально подтвердили работу уравнения Кардара–Паризи–Чжана в двумерной системе. Эта теория считается одной из ключевых моделей, описывающих рост поверхностей и развитие неравновесных систем. Работа опубликована в журнале Science.

Уравнение Кардара–Паризи–Чжана было предложено еще в 1986 году для описания процессов роста, в которых одновременно присутствуют случайность и нелинейные эффекты. Позже оказалось, что его можно применять к самым разным явлениям — от роста кристаллов и распространения огня до динамики популяций и даже алгоритмов машинного обучения.

Главная идея модели состоит в том, что очень разные системы могут подчиняться одним и тем же фундаментальным законам роста. Ранее ученым удалось подтвердить предсказания теории только для одномерных систем. Проверка в двух измерениях оставалась крайне сложной задачей.

Для эксперимента исследователи создали квантовую систему на основе арсенида галлия, охлажденного почти до абсолютного нуля — примерно до −269 °C. Материал постоянно облучали лазером, в результате чего внутри возникали поляритоны — гибридные квазичастицы, сочетающие свойства света и вещества.

Поляритоны существуют всего несколько пикосекунд и появляются только в неравновесных условиях, поэтому оказались удобной моделью для изучения процессов роста.

"Когда мы освещаем систему лазером, поляритоны начинают "расти". С помощью высокоточных методов мы смогли проследить их эволюцию в пространстве и времени и увидели, что она действительно подчиняется модели Кардара–Паризи–Чжана", — рассказал один из авторов работы Сиддхартха Дам.

Ключевую роль в эксперименте сыграла сверхточная настройка материала. Исследователи создали многослойную структуру с зеркальными слоями, удерживающими фотоны внутри квантовой пленки. Толщину отдельных слоев контролировали буквально на атомном уровне.

По словам ученых, подтверждение универсальности Кардара–Паризи–Чжана в двумерной системе показывает, насколько фундаментальной является эта теория для описания реальных неравновесных процессов.

Авторы отмечают, что результаты могут помочь лучше понимать сложные процессы роста и самоорганизации в физике конденсированного состояния, материаловедении и квантовых технологиях.